2022/07/13Zaman Gecikmeli Entegrasyon (TDI), dijital görüntülemeden önce ortaya çıkan ancak günümüzün en ileri görüntüleme teknolojilerinde bile muazzam avantajlar sağlayan bir görüntüleme tekniğidir. TDI kameraların en iyi performans gösterdiği iki durum vardır; her ikisi de görüntülenen nesnenin hareket halinde olduğu durumlardır:
1 – Görüntülenen nesne, doğası gereği sabit bir hızla hareket halindedir; örneğin, web incelemesi (hareketli kağıt, plastik veya kumaş tabakalarının kusur ve hasar açısından taranması gibi), montaj hatları veya mikroakışkanlar ve sıvı akışları.
2 – Statik görüntüleme konuları; kameranın nesneyi veya kamerayı hareket ettirerek bir alandan diğerine taşınabilmesiyle görüntülenebilir. Örnekler arasında mikroskop slaytı taraması, malzeme incelemesi, düz panel incelemesi vb. yer alır.
Bu durumlardan herhangi biri görüntüleme işlemleriniz için geçerliyse, bu web sayfası geleneksel 2 boyutlu 'alan tarama' kameralarından Line Scan TDI kameralara geçmenin görüntüleme performansınızı artırıp artırmayacağını değerlendirmenize yardımcı olacaktır.
Alan Tarama ve Hareketli Hedeflerle İlgili Sorun
● Hareket Bulanıklığı
Bazı görüntüleme nesneleri, örneğin sıvı akışı veya web incelemesi gibi durumlarda, zorunlu olarak hareket halindedir. Slayt tarama ve malzeme incelemesi gibi diğer uygulamalarda ise, nesneyi hareket halinde tutmak, her bir görüntü için hareketi durdurmaktan çok daha hızlı ve verimli olabilir. Bununla birlikte, alan tarama kameraları için, görüntüleme nesnesi kameraya göre hareket halindeyse, bu bir zorluk teşkil edebilir.
Hareket halindeki bir aracın görüntüsünü bozan hareket bulanıklığı.
Işık yetersizliği olan veya yüksek görüntü kalitesi gerektiren durumlarda, uzun bir pozlama süresi tercih edilebilir. Ancak, nesnenin hareketi pozlama sırasında ışığını birden fazla kamera pikseline yayarak 'hareket bulanıklığına' yol açar. Bu durum, pozlama sürelerini çok kısa tutarak (nesnenin bir noktasının bir kamera pikselini geçmesi için gereken sürenin altında) en aza indirilebilir. Bu, pozlama süresinin kısa tutulmasıyla sağlanır.unGenellikle karanlık, gürültülü ve çoğu zaman kullanılamaz görüntüler pahasına olur.
●Dikiş
Ayrıca, alan tarama kameralarıyla büyük veya sürekli görüntüleme gerektiren nesnelerin görüntülenmesi, daha sonra bir araya getirilen birden fazla görüntünün elde edilmesini gerektirir. Bu birleştirme işlemi, komşu görüntüler arasında örtüşen pikseller gerektirir; bu da verimliliği düşürür ve veri depolama ve işleme gereksinimlerini artırır.
●Düzensiz aydınlatma
Dahası, aydınlatma, birleştirilmiş görüntüler arasındaki sınırlarda sorunları ve bozulmaları önleyecek kadar eşit olmayacaktır. Ayrıca, alan tarama kamerası için yeterince geniş bir alanı yeterli yoğunlukta aydınlatmak genellikle yüksek güçlü, yüksek maliyetli DC ışık kaynaklarının kullanılmasını gerektirir.
Fare beyninin çoklu görüntü alımının birleştirilmesinde düzensiz aydınlatma. Watson ve ark. 2017'den alınan görsel: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
TDI kamera nedir ve ne gibi faydaları vardır?
Geleneksel 2 boyutlu alan tarama kameralarında, görüntü elde etmenin üç aşaması vardır: piksel sıfırlama, pozlama ve okuma. Pozlama sırasında, sahneden gelen fotonlar algılanır ve bu da fotoelektronlara yol açar; bu fotoelektronlar pozlama sonuna kadar kamera piksellerinde depolanır. Daha sonra her pikselden gelen değerler okunur ve 2 boyutlu bir görüntü oluşturulur. Ardından pikseller sıfırlanır ve tüm yükler temizlenerek bir sonraki pozlamaya başlanır.
Ancak, belirtildiği gibi, görüntülenen nesne kameraya göre hareket ediyorsa, nesneden gelen ışık bu pozlama sırasında birden fazla piksele yayılabilir ve hareket bulanıklığına yol açabilir. TDI kameralar, yenilikçi bir teknik kullanarak bu sınırlamanın üstesinden gelir. Bu, [Animasyon 1]'de gösterilmiştir.
●TDI Kameralar Nasıl Çalışır?
TDI kameralar, alan tarama kameralarından temel olarak farklı bir şekilde çalışır. Görüntüleme nesnesi pozlama sırasında kamera üzerinde hareket ederken, elde edilen görüntüyü oluşturan elektronik yükler de senkronize olarak hareket eder. Pozlama sırasında, TDI kameralar, elde edilen tüm yükleri, görüntüleme nesnesinin hareketiyle senkronize olarak, kamera boyunca bir piksel sırasından diğerine kaydırabilir. Nesne kamera üzerinde hareket ettikçe, her sıra (bir 'TDI Aşaması' olarak bilinir), kamerayı nesneye maruz bırakmak ve sinyal biriktirmek için yeni bir fırsat sunar.
Elde edilen yüklerin bir sırası kameranın sonuna ulaştığında, ancak o zaman değerler okunur ve görüntünün 1 boyutlu bir dilimi olarak saklanır. 2 boyutlu görüntü, kameranın okuduğu her ardışık görüntü diliminin bir araya getirilmesiyle oluşturulur. Ortaya çıkan görüntüdeki her piksel sırası, görüntülenen nesnenin aynı 'dilimini' izler ve görüntüler; bu da harekete rağmen bulanıklığın olmaması anlamına gelir.
●256 kat daha uzun pozlama
TDI kameralarda, görüntünün etkili pozlama süresi, nesne üzerindeki bir noktanın her piksel satırını geçmesi için geçen toplam süreyle belirlenir ve bazı TDI kameralarda 256 aşamaya kadar kullanılabilir. Bu, mevcut pozlama süresinin, alan taramalı bir kameranın elde edebileceğinden 256 kat daha büyük olduğu anlamına gelir.
Bu, iki iyileştirmeden birini veya her ikisinin dengesini sağlayabilir. İlk olarak, görüntüleme hızında önemli bir artış elde edilebilir. Alan tarama kamerasına kıyasla, kameranın hat hızı yeterince hızlıysa, görüntülenen nesne aynı miktarda sinyal yakalarken 256 kata kadar daha hızlı hareket edebilir.
Öte yandan, daha yüksek hassasiyet gerekiyorsa, daha uzun pozlama süresi çok daha yüksek kaliteli görüntüler, daha düşük aydınlatma yoğunluğu veya her ikisini birden sağlayabilir.
●Birleştirme yapmadan büyük veri akışı
TDI kamera, ardışık 1 boyutlu dilimlerden 2 boyutlu bir görüntü ürettiği için, ortaya çıkan görüntü gerektiği kadar büyük olabilir. 'Yatay' yöndeki piksel sayısı kameranın genişliğiyle belirlenirken (örneğin 9072 piksel), görüntünün 'dikey' boyutu sınırsızdır ve yalnızca kameranın ne kadar süreyle çalıştırıldığına bağlıdır. 510 kHz'e kadar hat hızlarıyla, bu muazzam veri aktarım hızı sağlayabilir.
Bununla birlikte, TDI kameralar çok geniş görüş alanları sunabilir. Örneğin, 5 µm pikselli 9072 piksellik bir kamera, yüksek çözünürlükte 45 mm'lik yatay bir görüş alanı sağlar. Aynı görüntü genişliğini 5 µm piksel alan tarama kamerasıyla elde etmek için yan yana üç adet 4K kamera gerekebilir.
●Çizgi tarama kameralarına göre iyileştirmeler
TDI kameralar yalnızca alan tarama kameralarına göre iyileştirmeler sunmakla kalmaz. Sadece tek bir piksel satırını yakalayan çizgi tarama kameraları da, alan tarama kameralarıyla aynı aydınlatma yoğunluğu ve kısa pozlama sorunlarından muzdariptir.
TDI kameralar gibi, hat tarama kameraları da daha basit bir kurulumla daha eşit aydınlatma sunar ve görüntü birleştirme ihtiyacını ortadan kaldırır; ancak yüksek kaliteli bir görüntü için yeterli sinyal yakalamak için genellikle çok yoğun aydınlatma ve/veya yavaş nesne hareketi gerektirebilirler. TDI kameraların sağladığı daha uzun pozlama süreleri ve daha hızlı nesne hızları, görüntüleme verimliliğini artırırken daha düşük yoğunluklu, daha düşük maliyetli aydınlatmanın kullanılmasını sağlar. Örneğin, bir üretim hattı, yüksek maliyetli, yüksek güç tüketimli ve DC güç gerektiren halojen lambalardan LED aydınlatmaya geçebilir.
TDI kameralar nasıl çalışır?
Kamera sensöründe TDI görüntüleme elde etmenin üç yaygın standardı vardır.
● CCD TDI– CCD kameralar, dijital kameraların en eski türüdür. Elektronik tasarımları nedeniyle, bir CCD üzerinde TDI davranışını elde etmek nispeten çok basittir ve birçok kamera sensörü doğal olarak bu şekilde çalışabilir. Bu nedenle TDI CCD'ler on yıllardır kullanılmaktadır.
Ancak, CCD teknolojisinin de sınırlamaları vardır. CCD TDI kameralar için yaygın olarak bulunan en küçük piksel boyutu yaklaşık 12µm x 12µm'dir; bu, düşük piksel sayısıyla birlikte, kameraların ince ayrıntıları çözme yeteneklerini sınırlar. Dahası, diğer teknolojilere göre görüntüleme hızı daha düşüktür, düşük ışıkta görüntülemede önemli bir sınırlayıcı faktör olan okuma gürültüsü ise yüksektir. Güç tüketimi de yüksektir, bu da bazı uygulamalarda önemli bir faktördür. Bu durum, CMOS mimarisine dayalı TDI kameralar oluşturma isteğine yol açmıştır.
●Erken CMOS TDI: Gerilim alanı ve dijital toplama
CMOS kameralar, daha az güç tüketirken ve daha küçük piksel boyutları sunarken, CCD kameraların gürültü ve hız sınırlamalarının çoğunu ortadan kaldırır. Bununla birlikte, piksel tasarımları nedeniyle TDI davranışını CMOS kameralarda elde etmek çok daha zordu. CCD'ler sensörü yönetmek için fotoelektronları fiziksel olarak pikselden piksele hareket ettirirken, CMOS kameralar okuma işleminden önce her pikselde fotoelektronlardaki sinyalleri voltajlara dönüştürür.
CMOS sensörlerde TDI davranışı 2001 yılından beri araştırılmaktadır; ancak pozlama bir satırdan diğerine geçerken sinyalin 'birikiminin' nasıl ele alınacağı önemli bir sorundu. Günümüzde ticari kameralarda hala kullanılan iki erken CMOS TDI yöntemi, voltaj alanında biriktirme ve dijital toplama TDI CMOS'tur. Voltaj alanında biriktirme kameralarında, görüntülenen nesne geçerken her sinyal satırı alındığında, alınan voltaj, görüntünün o bölümü için toplam alıma elektronik olarak eklenir. Bu şekilde voltaj biriktirmek, eklenen her ekstra TDI aşaması için ek gürültüye neden olur ve ek aşamaların faydalarını sınırlar. Doğrusallıkla ilgili sorunlar da bu kameraların hassas uygulamalar için kullanımını zorlaştırmaktadır.
İkinci yöntem ise dijital toplama TDI'dır. Bu yöntemde, bir CMOS kamera, görüntüleme nesnesinin tek bir piksel satırı boyunca hareket etmesi için geçen süreye eşleştirilmiş çok kısa bir pozlama ile alan tarama modunda çalışır. Ancak, her ardışık karedeki satırlar, TDI etkisi sağlayacak şekilde dijital olarak toplanır. Elde edilen görüntüdeki her piksel satırı için tüm kameranın okunması gerektiğinden, bu dijital toplama aynı zamanda her satır için okuma gürültüsünü de ekler ve görüntüleme hızını sınırlar.
●Modern standart: şarj alanlı TDI CMOS veya CCD-on-CMOS TDI
Yukarıda bahsedilen CMOS TDI'nin sınırlamaları, son zamanlarda CCD-on-CMOS TDI olarak da bilinen yük alanı biriktirme TDI CMOS'un tanıtılmasıyla aşılmıştır. Bu sensörlerin çalışması [Animasyon 1]'de gösterilmiştir. Adından da anlaşılacağı gibi, bu sensörler, bir pikselden diğerine CCD benzeri yük hareketi sunarak, her TDI aşamasında bireysel yükler seviyesinde fotoelektronların eklenmesi yoluyla sinyal biriktirir. Bu, etkili bir şekilde gürültüsüzdür. Bununla birlikte, CCD TDI'nin sınırlamaları, CMOS okuma mimarisinin kullanımıyla aşılır ve CMOS kameralarda yaygın olan yüksek hızlar, düşük gürültü ve düşük güç tüketimi sağlanır.
TDI Teknik Özellikleri: Önemli Olanlar Nelerdir?
●Teknoloji:Yukarıda da belirtildiği gibi, en önemli faktör kullanılan sensör teknolojisidir. Şarj alanlı CMOS TDI en iyi performansı sağlayacaktır.
●TDI Aşamaları:Bu, sinyalin biriktirilebileceği sensör satır sayısıdır. Bir kameranın TDI aşaması sayısı ne kadar fazlaysa, etkili pozlama süresi de o kadar uzun olabilir. Veya, kameranın yeterli satır hızına sahip olması koşuluyla, görüntülenen nesne o kadar hızlı hareket edebilir.
●Hat Ücreti:Kameranın saniyede kaç satır okuyabildiği. Bu, kameranın ayak uydurabileceği maksimum hareket hızını belirler.
●Kuantum VerimliliğiBu, kameranın farklı dalga boylarındaki ışığa duyarlılığını, gelen bir fotonun algılanma ve bir fotoelektron üretme olasılığına göre gösterir. Daha yüksek kuantum verimliliği, aynı sinyal seviyelerini korurken daha düşük aydınlatma gücü veya daha hızlı çalışma sağlayabilir.
Ek olarak, kameralar iyi hassasiyetin elde edilebildiği dalga boyu aralığı bakımından farklılık gösterir; bazı kameralar spektrumun ultraviyole (UV) ucuna kadar, yaklaşık 200 nm dalga boyunda hassasiyet sunabilir.
●Gürültüyü Okuyun:Okuma gürültüsü, bir kameranın hassasiyetindeki diğer önemli faktördür ve kameranın gürültü seviyesinin üzerinde algılanabilen minimum sinyali belirler. Yüksek okuma gürültüsüyle, karanlık özellikler algılanamaz ve dinamik aralık ciddi şekilde azalır; bu da daha parlak aydınlatma veya daha uzun pozlama süreleri ve daha yavaş hareket hızları kullanılması gerektiği anlamına gelir.
TDI Teknik Özellikleri: Önemli Olanlar Nelerdir?
Günümüzde TDI kameralar, web incelemesi, elektronik ve üretim incelemesi ve diğer makine görüşü uygulamalarında kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra, floresan görüntüleme ve slayt tarama gibi zorlu düşük ışık uygulamaları da bulunmaktadır.
Ancak, yüksek hızlı, düşük gürültülü, yüksek hassasiyetli TDI CMOS kameraların piyasaya sürülmesiyle, daha önce yalnızca alan taramalı kameraların kullanıldığı yeni uygulamalarda hız ve verimlilik artışı için büyük bir potansiyel bulunmaktadır. Makalenin başında da belirttiğimiz gibi, TDI kameralar, halihazırda sürekli hareket halindeki nesnelerin görüntülenmesinde veya kameranın statik görüntüleme nesneleri üzerinde tarama yapabileceği durumlarda yüksek hız ve yüksek görüntü kalitesi elde etmek için en iyi seçim olabilir.
Örneğin, bir mikroskopi uygulamasında, 5 µm pikselli 9K piksel, 256 aşamalı bir TDI kameranın teorik görüntüleme hızını, 5 µm pikselli 12MP alan tarama kamerasıyla karşılaştırabiliriz. Şimdi, sahneyi hareket ettirerek 20x büyütme ile 10 x 10 mm'lik bir alanı görüntülemeyi inceleyelim.
1. Alan tarama kamerasıyla 20x objektif kullanıldığında 1,02 x 0,77 mm'lik bir görüntüleme alanı elde edilir.
2. TDI kamera ile, mikroskop görüş alanındaki herhangi bir sınırlamanın üstesinden gelmek ve 2,3 mm'lik yatay görüntüleme görüş alanı sağlamak için 2x ek büyütme sağlayan 10x objektif kullanılabilir.
3. Görüntülerin birleştirilmesi amacıyla %2 piksel örtüşmesi, platformun belirli bir konuma hareket ettirilmesi için 0,5 saniye ve pozlama süresinin 10 ms olduğunu varsayarsak, alan tarama kamerasının ne kadar zaman alacağını hesaplayabiliriz. Benzer şekilde, platform Y yönünde tarama yapmak için sabit hareket halinde tutulursa ve her satır için aynı pozlama süresi kullanılırsa, TDI kamerasının ne kadar zaman alacağını da hesaplayabiliriz.
4. Bu durumda, alan tarama kamerası 140 görüntü almayı gerektirir ve tabla hareket ettirilmesi 63 saniye sürer. TDI kamera ise sadece 5 uzun görüntü alır ve tabla bir sonraki sütuna hareket ettirilmesi yalnızca 2 saniye sürer.
5. 10 x 10 mm'lik alanı elde etmek için harcanacak toplam süre şu kadardır:Alan tarama kamerası için 64,4 saniye.ve sadeceTDI kamera için 9,9 saniye.
TDI kameraların uygulamanıza uygun olup olmadığını ve ihtiyaçlarınızı karşılayıp karşılamadığını öğrenmek isterseniz, bugün bizimle iletişime geçin.
